(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース・シートを備える移動非被覆シートの表面に、シリコンを含有するコーティング材料を塗布するためのシート・コーティング装置であって、移動非被覆シートが計量要素を通り過ぎた後に被覆シート上に残るコーティング材料の量を調整するための計量要素を含むコーティング装置と、
被覆シートに隣接して配設された第１のコーティング・センサであって、被覆シート内に第１の放射線ビームを向けるように配設された第１の放射線源、および被覆シートから発する第１のビームの少なくとも一部を検出するように位置決めされた第１の放射線受信機構を含み、前記第１の受信機構が、赤外電磁スペクトルの第１および第２の個別波長領域での放射線の量を検出し、かつそれぞれ前記第１および第２の領域での検出放射線の量を示す第１および第２の信号をそこから生成するように構成され、第１の領域が、ベース・シートの坪量に対して感受性がある放射線に関して選択され、第２の領域が、ベース・シートの坪量に対して第１の領域での放射線とほぼ同じ感受性があり、コーティング材料のシリコンに対しても感受性がある放射線に関して選択され、第１の領域での放射線のシリコンに対する感度が第２の領域での放射線のシリコンに対する感度と異なり、第１の領域が３．６０〜３．８０μｍの範囲であり、第２の領域が３．３６〜３．３８μｍの範囲である第１のコーティング・センサと、
第１の受信機構に動作可能に結合された、第１および第２の信号からシート上のコーティング材料の量を計算するためのコンピュータであって、コーティング材料中のシリコンの計算量を示す第３の信号を生成するコンピュータと、
コンピュータおよび計量要素に動作可能に結合された、べース・シート上のコーティング材料の量を調整するために第３の信号に応答して計量要素を調節する少なくとも１つのアクチュエータと
を備えるコーティング・システム。
【請求項２】
放射線が赤外放射線である請求項１に記載のコーティング・システム。
【請求項３】
移動被覆シートが、ベース・シートまたはベース・シートの事前塗布コーティング中に取り入れられたシリコンを有し、前記システムがさらに、
非被覆シートに隣接して配設された第２のコーティング・センサであって、非被覆シート内に第２の放射線ビームを向けるように配設された第２の放射線源、および非被覆シートから発する第２のビームの少なくとも一部を検出するように位置決めされた第２の放射線受信機構を含み、第２の受信機構が、電磁スペクトルの第３および第４の個別波長領域での放射線の量を検出し、かつそれぞれ前記第３および第４の領域での検出放射線の量を示す第４および第５の信号をそこから生成するように構成され、第３の領域が、非被覆シートの坪量に対して感受性がある放射線に関して選択され、第４の領域が、非被覆シートの坪量に対して第３の領域での放射線とほぼ同じ感受性があり、しかし非被覆シートのベース・シート中に取り入れられたシリコンに対しても感受性がある放射線に関して選択されたコーティング・センサを備え、コンピュータが第２の受信機構に動作可能に結合されて、ベース・シート中のシリコンの量を示す第４および第５の信号に基づいて第６の信号を計算し、前記コンピュータが、第３および第６の信号からシート上のコーティング材料中のシリコンの量を計算する請求項２に記載のコーティング・システム。
【請求項４】
さらに、第１のセンサが取り付けられ、ラインに沿って前後して第１のセンサをスキャンさせるためのスキャン機構を備え、コンピュータが、第１および第２の信号に基づいてスキャンする第１のセンサによって横切られるシートの様々な横方向位置で、シート上のコーティング材料中のシリコンの量を求めるようにプログラムされている請求項１に記載の被覆システム。
【請求項５】
第２の放射線受信機構が、非被覆シートを透過する第２のビームの少なくとも一部の強度を検出するように位置決めされている請求項３に記載のコーティング・システム。
【請求項６】
第２の放射線受信機構が、非被覆シートから反射される第２のビームの少なくとも一部の強度を検出するように位置決めされている請求項３に記載のコーティング・システム。
【請求項７】
さらに、第２のセンサが取り付けられ、ラインに沿って前後して第２のセンサをスキャンさせるためのスキャン機構を備え、コンピュータが、第３および第４の信号に基づいてスキャンする第２のセンサによって横切られるシートの様々な横方向位置で、ベース・シートまたはベース・シートの事前塗布コーティング中のシリコンの量を求めるようにプログラムされている請求項３に記載のコーティング・システム。
【請求項８】
さらに、第２のセンサが取り付けられ、ラインに沿って前後して第２のセンサをスキャンさせるための第２のスキャン機構を備え、コンピュータが、第３および第４の信号に基づいてスキャンする第２のセンサによって横切られるシートの様々な横方向位置で、ベース・シート中のシリコンの量を求めるようにプログラムされている請求項４に記載のコーティング・システム。
【請求項９】
移動被覆シートが、ベース・シートまたはベース・シートの事前塗布コーティング中に取り入れられたラテックスを有し、前記システムがさらに、
非被覆シートに隣接して配設された第２のコーティング・センサであって、非被覆シート内に第２の放射線ビームを向けるように配設された第２の放射線源、および非被覆シートから発する第２のビームの少なくとも一部を検出するように位置決めされた第２の放射線受信機構を含み、第２の受信機構が、電磁スペクトルの第３および第４の個別波長領域での放射線の量を検出し、かつそれぞれ前記第３および第４の領域での検出放射線の量を示す第４および第５の信号をそこから生成するように構成され、第３の領域が、非被覆シートの坪量に対して感受性がある放射線に関して選択され、第４の領域が、非被覆シートの坪量に対して第３の領域での放射線とほぼ同じ感受性があり、非被覆シートのベース・シート中に取り入れられたラテックスに対しても感受性がある放射線に関して選択されたコーティング・センサを備え、コンピュータが第２の受信機構に動作可能に結合されて、ベース・シート中のラテックスの量を示す第４および第５の信号に基づいて第６の信号を計算し、前記コンピュータが、第３および第６の信号からシート上のコーティング材料中のシリコンの量を計算する請求項２に記載のコーティング・システム。
【請求項１０】
第２の放射線受信機構が、非被覆シートから反射される第２のビームの少なくとも一部の強度を検出するように位置決めされている請求項９に記載のコーティング・システム。
【請求項１１】
さらに、第２のセンサが取り付けられ、ラインに沿って前後して第２のセンサをスキャンするためのスキャン機構を備え、コンピュータが、第４および第５の信号に基づいてスキャンする第２のセンサによって横切られるシートの様々な横方向位置で、ベース・シートまたはベース・シートの事前塗布コーティング中のラテックスの量を求めるようにプログラムされている請求項９に記載のコーティング・システ
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、ペーパー・シートまたは他の物体に塗布されたコーティングの量を測定し制御するための装置および方法に関し、詳細には、移動ペーパー・シート上のシリコン・コーティングの被覆重量を、シートに塗布しながら監視して調整する装置および方法に関する。
【０００２】
（発明の背景）
製紙のプロセスでは、耐熱性、非粘着性、疎水性、または低摩擦性など特別な特性を紙に与えることができる材料でペーパー・シート（「ベース・シート」と呼ぶ）を被覆することがしばしば望ましい。かねてから、これらのタイプのペーパー特性を与えるためにシリコンが選択材料になっている。例えば、シリコン・コーティングは、両面テープ、自己接着スタンプ、接着バック・ゴム・ガスケット、耐水紙などの材料として一般的に使用される。
【０００３】
１０種類程の異なる材料からなる場合がある多くの他のコーティングとは異なり、シリコンは通常、事前塗布されたバリア／結合層に単独で塗布される。バリア／結合層は、シリコンが、下にあるペーパーに吸収されるのを防止し、通常ペーパーの表面にあるシリコン分子用の結合面となる。
【０００４】
しかし、シリコン材料は、ペーパーに塗布されるたった１つの層ではない場合がある。いくつかの事前コーティング材料が、シリコンを塗布する前にペーパーにすでに塗布されている場合がある。これらの非シリコン・コーティング材料は、広範には顔料、結合剤、添加剤として、ほとんど常に水成拡散成分として分類することができるいくつかのコーティング成分からなる。いくつかの一般的な顔料としては、粘土、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3 ）、硫酸バリウム、二酸化チタン（ＴｉＯ2 ）が挙げられる。一般的に言うと、粘土が最も一般的な顔料であり、しかしＣａＣＯ3 およびＰＣＣ（沈殿炭酸カルシウム）もより一般的になってきている。顔料または添加剤粒子を一体に保持してそれらをペーパーに結合するために、結合剤として一般にラテックスの様々な配合物が使用される。典型的な非シリコン・コーティング配合物は、８０％〜９０％顔料、３％〜１０％ラテックスを含み、残りは添加物または他の成分からなる。
【０００５】
コーティング材料は、シリコン・ベースのものであれ、非シリコン・ベースのものであれ、製紙工場自体において塗布することができる。シリコンおよび他の材料に関する製紙およびコーティング技法は当技術分野で周知であり、例えば、Ｒ．ＭａｃＤｏｎａｌｄ編「Ｐｕｌｐ  ａｎｄ  Ｐａｐｅｒ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，Ｖｏｌ．ＩＩＩ（Ｐａｐｅｒｍａｋｉｎｇ  ＆  Ｐａｐｅｒｂｏａｒｄ  Ｍａｋｉｎｇ）」，１９７０，ＭｃＧｒａｗ  Ｈｉｌｌや、Ｇ．Ａ．Ｓｍｏｏｋ著「Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｆｏｒ  Ｐｕｌｐ  ＆  Ｐａｐｅｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｓｔｓ」，２ｎｄＥｄ．，１９９２，Ａｎｇｕｓ  Ｗｉｌｄｅ  Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓに記述されている。あるいは、事前に製造されたペーパーを、ペーパー・シートの大きなロールから「コータ」と呼ばれるコーティング機に供給することができる。いずれの場合でも、ペーパーは通常、「横方向」（すなわち、製紙および／またはコーティング機に沿った紙の移動方向を横切る方向）に沿って幅が１０フィート（約３メートル）またはそれより大きい程度のシートの形でコータに供給される。
【０００６】
様々な理由から、コーティング「坪量」または被覆重量（すなわち、シートの単位表面積上でのコーティング材料の質量）の均一性が必要である、または望まれる。特にシリコン・コーティングでは、この材料の費用が、効率的かつ浪費のないコーティングの使用を非常に重要なものにする。したがって、製造業者は、コーティングを正確に監視し、コーティングの塗布を制御して、できるだけ均一にコーティングを塗布することを望む。ある場合には、コーティングの均等性を、ｇｒａｍ／ｍ2 の数分の１の範囲内で制御しなければならない。しかし、横方向でのシートの横方向の広がり（１０フィート以上）、およびそのようなシートにコーティングを正確かつ均等に塗布する必要性のため、比較的複雑なコータが設計され、製造されてきた。
【０００７】
ブレード圧力およびペーパー厚さの局所ばらつき、および場合によっては他の要因が、補償されない場合に不均等なコーティングを生成する傾向がある。したがって、前述のことから、被覆シート上のコーティング材料の量を測定し、そのような測定に基づくコーティング処理中に、複数の横方向スライス位置でシートに対するブレードの圧力を制御できることが製紙業者には重要であることも理解されたい。
【０００８】
シートに塗布されるコーティングの量を測定し制御するためにいくつかのスキームが企図されてきた。コーティング制御プロセスの最も困難な面の１つは、特にコーティング量をｇｒａｍ／ｍ2 の数分の１の精度で測定しなければならないときに、シートに塗布されるコーティングの量の正確な測定値を得ることである。
【０００９】
１つのそのようなスキームでは、シート坪量センサおよびシート水分センサが、製紙プロセスにおいてコータの前の上流に配設される。坪量センサは、単位表面積当たりの質量によって、シート中の材料の総量を測定する。したがって、測定される坪量は、ペーパー繊維と、繊維によって吸収された水分との両方を含む。知られている坪量センサは、シートを介するベータ線の透過を利用してそのようなシートの坪量を求める。シートの水分含有量は、例えば、知られている赤外水分センサによって求めることができ、このセンサは、同様にシートの単位表面積当たりでのシート中の水の質量によってシートの水分含有量を求める。次いで、コーティング・プロセス後に、追加の坪量および水分センサがコータの下流の点に位置決めされる。
【００１０】
非被覆シートの坪量から水分の量を引くことによって、シートを形成する繊維の量を求めることができる。同様に、被覆シートの坪量から被覆シートの水分含有量を引くことによって、コーティング材料とペーパー繊維との合計量を求めることができる。最後に、被覆シート中のコーティングと繊維との合計坪量の測定値から非被覆シート中の繊維の量を引くことによって、シートに塗布されたコーティングの坪量が求められる。次いで、システム・プロセス制御コンピュータが、シートの幅にわたる各スライスでの被覆重量のこれらの測定値に基づいて、そのような測定値を所定の所望の被覆重量値と比較し、コーティング機を制御するための信号を発生して、シートの幅全体にわたって所望の被覆重量を達成することができる。
【００１１】
残念ながら、上述の方法は、コーティング材料の坪量を求めるために４つの比較的高価なセンサ（すなわち、非被覆シートに隣接して配設される水分および坪量センサ、ならびにシートの被覆部分に隣接して配設される追加の水分および坪量センサ）を必要とするため、完全に満足の行くものではない。さらに、これら４つのセンサそれぞれの測定に備わる誤差が、被覆重量を求めるのに必要な数学的計算を通じて付加的に増大する場合があり、その結果、被覆重量の測定値が理想的とは言えなくなる。
【００１２】
シートに塗布されたコーティング材料の量を測定するための別のスキームは、非常に高いエネルギーのＸ線を用いた被覆シートの照射を必要とする。そのような高エネルギーＸ線は、被覆シート材料中の原子を励起し、それによりそのような原子が蛍光発光する。蛍光原子は、コーティング中の要素に特有の波長を有するＸ線を発する。したがって、コーティング材料中の要素に固有の特徴を有する１つまたは複数の波長にＸ線センサを同調することによって、製紙業者は、特徴的な波長での蛍光発光強度によってコーティング材料の量を導出することができる。
【００１３】
残念ながら、蛍光技法も多くの場合に完全に満足の行くものではない。例えば、蛍光原子は低強度Ｘ線しか発せず、したがってこの技法は、比較的低い信号対雑音比を生成する。したがって、統計的に重要な信号をＸ線検出器によって累積することができるようになるまでには比較的長時間を経なければならない。さらに、高エネルギー励起Ｘ線、および被覆シートの蛍光発光から生ずるＸ線は、製紙工場の人員に危険である。上述したように、
【００１４】
別の技法では、シートの一部分がＸ線で照射され、シートを透過するＸ線の強度が検出される。しかし、Ｘ線は、ペーパー・シートで頻繁に使用される鉱物フィラー材料、木材パルプ繊維、およびシート中の水分によって吸収される。したがって、シートを介するＸ線の透過が単にコーティング材料だけに応答するのではないので、センサをコータの前後に位置決めしなければならず、シートの被覆部分と非被覆部分を介するＸ線の透過の差が求められ、シートに塗布されるコーティング材料の量に関係する。しかしここでも、この技法は、比較的高価なＸ線源およびセンサが複数必要であるという欠点を有し、各センサによって行われる測定に備わる誤差が、求められたコーティング量の誤差の付加的な原因になる場合があり、かつＸ線の使用は当然、製紙工場人員に危険である。
【００１５】
これらのシステム全てに関わる他のさらなる問題は、シリコン・コーティングを測定するために使用する場合に、シリコン・コーティングが坪量よりも通常数百倍小さい（ＣＷ単位である）ことである。そのため、坪量の最も小さな誤差でさえ、大きさの点でシリコン被覆重量と同様になる場合があり、シリコン重量を坪量信号のノイズから分離するのが難しくなる。
【００１６】
いずれにせよ、コーティング特性を測定するための事前システムがいくつか開発されている。本発明の譲受人に譲渡された米国特許第５７９５３９４号は、電磁スペクトルの少なくとも２つの個別波長領域で、基体から反射される放射線、または基体を介する放射線の透過の測定を使用して、基体上のコーティング材料の量を求めることができる装置および方法を記述する。この特許に記述されているシステムは、ＣａＣＯ3 測定に関して最適にされ、選択された波長領域はシリコン測定には最適でない。
【００１７】
本発明の譲受人に譲渡された米国特許第４９５７７７０号は、上述した米国特許第５７９５３９４号と同様の様式で、コーティング材料からの放射線を測定することによってコーティング材料の坪量を求めるためのセンサおよび方法を開示する。米国特許第５７９５３９４号に記述されたセンサは、コーティング材料中のラテックス濃度を測定し、選択された波長領域はシリコンに適していない。
【００１８】
実際、この出願人は、ＩＲ放射線を使用して任意の周波数領域でシリコン・コーティング材料を測定する別のシステムを承知していない。
【００１９】
（発明の概要）
本発明は、シリコンを含むコーティングのためのオンライン非接触ペーパー被覆重量測定を対象とする。本発明は、約３．３６〜３．３８の赤外領域が、水、ＣａＣＯ3 、セルロース、粘土および他のコーティング顔料、ならびにペーパー・フィラーからの干渉を実質的に受けず、ペーパー被覆重量測定の精度および信頼性を高めるということの発見に一部基づいている。選択された測定波長でのラテックスからの干渉は、事後シリコン・コーティング測定を事前シリコン・コーティング測定と比べることによってなくすることができる。
【００２０】
本発明は、電磁スペクトルの少なくとも２つの個別波長領域で、基体から反射された放射線、または基体を介する放射線の透過の測定を使用して基体上のコーティング材料の量を求めることができる装置および方法を含む。装置および方法は主に、赤外放射線を使用した移動ペーパー・シートのオンライン・コーティング測定を意図し、しかしそれに限定されない。したがって、説明を簡単にするため、本発明を製紙の文脈で記述する。しかし、基体はプラスチックなどペーパー以外のシート材料であってよく、さらにはシートの形でなくてもよいことを理解されたい。
【００２１】
製紙では、本発明の赤外線コーティング・センサを、移動被覆シートの横方向で前後にスキャンさせることができ、それによりシートの長さおよび幅に沿って様々な位置でべース・シート上のコーティングの坪量の測定値を実施する。センサは、シートを介する赤外透過またはシートからの反射に対するベース・シートの坪量および水分含有量の変化の効果に関するコーティング測定を自動的に補償するように設計されている。したがって、被覆重量測定値は、ベース・シートの坪量またはその水分含有量がシートの幅および長さにわたって均一でない場合でさえ、センサが移動シートにわたってスキャンされるときに高い精度を保つ。
【００２２】
本発明の赤外線コーティング・センサは赤外放射線源を含む。赤外放射線ビームは、この赤外線源から移動シートに向かって伝送される。ビームは、シートに到達すると、まずコーティング材料を通過し、次いでベース・ペーパー・シートに入る。この赤外線エネルギーの一部は、シートを介して透過される、またはシートによって吸収される。また、ベース・シートに進入した後、赤外線エネルギーのいくらかは、概して赤外線源の方向に反射し返される。赤外ビームは広範囲の波長を含む。しかし、特定の波長での赤外放射線が、コーティングおよび／またはベース・シート自体によって優先的に吸収される。
【００２３】
コーティング・センサはまた、赤外受信機構セクションを含む。この受信機構セクションは、シートの赤外線源とは反対側に位置決めされ、それにより透過された赤外ビームの強度を測定することができる。あるいは、センサの赤外受信機構セクションをシートの赤外線源と同じ側に位置決めし、それによりビームの反射部分の強度を測定することができる。どちらの場合にも、受信機構セクションは、ビーム・スプリッタと、少なくとも２つの赤外検出器と、各検出器に関連する赤外帯域フィルタとを備える。ビーム・スプリッタは、赤外ビームの一部を２つ以上の各検出器に向ける。個別赤外帯域フィルタは各検出器の前に位置決めされる。このようにすると、赤外検出器がそれぞれ、関連フィルタの通過帯域内にある赤外ビーム・スペクトルの一部のみの強度を測定する。
【００２４】
２つの赤外帯域フィルタの１つのみが、赤外スペクトルの選択領域内にある波長を有する赤外放射線を通し、赤外ビームは、下にあるペーパーのベース・シートによって吸収され、散乱され、コーティング材料によってはごく弱くしか吸収されない。スペクトルのこの第１の領域を「基準」領域と呼び、関連する検出器を「基準」検出器と呼ぶ。したがって、基準検出器からの出力信号は主に、ベース・シートによる吸収または散乱に基づいている。例えば、検出される赤外線エネルギーが、シートの片側からもう一方の側へシートを透過されるとき、吸収の量はベース・ペーパー・シートの坪量に依存する。さらに、受信機構セクションおよび赤外線源がシートの同じ側に位置決めされ、それにより受信機構セクションが反射された赤外放射線しか検出しない場合でさえ、基準検出器の出力は依然として、シートの坪量の変化に感受性がある。これは、赤外放射線がベース・シートの表面で部分的にしか反射されないためである。赤外放射線の多くがシートに浸透し、シートにより深く浸透する、かつ／またはより多くのシート材料に当たるにつれて、総ビームの高い比率が反射される。したがって、全ての他の条件を一定に保った状態で、より高い坪量のシートが、より低い坪量のシートよりも多くの赤外線エネルギーを反射する。より低い坪量のシートでは、より多くの赤外線エネルギーがシートを透過される。
【００２５】
第２の帯域フィルタは、第２の赤外検出器に関連し、シリコンによって強く吸収される赤外スペクトルの領域内にある波長のみを通す。「測定」範囲と呼ばれるスペクトルのこの第２の範囲はまた、ベース・シートによるこの領域での赤外放射線の平均吸収が、基準領域での赤外放射線のベース・シートによる平均吸収に等しくなるように選択される。したがって、測定および基準帯域フィルタは、それらの通過帯域が、下にあるベース・ペーパー・シートによって同じ程度に吸収される赤外スペクトルの領域に対応するように選択される。スペクトルの「測定」領域に関連する検出器は「測定」検出器と呼ばれる。
【００２６】
本発明によれば、基準検出器と測定検出器からの出力信号の比（または差）が求められる。前述したように、測定帯域フィルタと基準帯域フィルタの両方の通過帯域内の波長を有する放射線がベース・ペーパー・シートによって同様に吸収されるので、測定検出器と基準検出器からの信号の比（または差）が、コーティング中の選択された成分の量を示す。通常、選択された成分は、知られている固定比率でコーティング配合物中に混合されているので、求められる選択成分量は、それに対応するコーティング材料の量に相関する場合がある。さらに、シートによる測定波長と基準波長の吸収が等しい、または「バランスが取れている」ので、測定検出器と基準検出器からの信号の比（またはそれらの間の差）は、ベース・シートの坪量とは無関係である。
【００２７】
コーティング・センサからの信号は、プロセス制御コンピュータに伝送することができ、コンピュータは、上述の数学的計算を行って、シート上のコーティングの量の測定値を提供する。コンピュータは、この測定値を、事前に入力されている所望のコーティング量と比較する。次いで、コンピュータが制御信号を発生し、その信号を使用してコーティング・ブレード制御アクチュエータ、および各横方向位置でベース・シートに塗布されるコーティングの量を調整することができる。塗布されるコーティングを予め選択された量で維持するために任意の横方向位置でコータ・ブレードを調節することを必要とする条件がコーティング処理中に生じた場合、そのような調節は、プロセス制御コンピュータから１つまたは複数のブレード・アクチュエータに適当な信号を伝送することによって自動的に行うことができる。
【００２８】
本発明では、ペーパー・シートに塗布されるコーティングの厚さおよび／または坪量の高均一性を、単一の安全な高精度のコーティング・センサを用いて達成することができる。
【００２９】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
図１ａに、紙シート・コーティング・システム１０を示す。図に示すように、コートされていない紙１２が、裏当てロール１６とブレード１８の間に備えられたコーティング材料１４の供給部を通って引き出される。シート１２用の出口スロット２０は、ロール１６と、ブレードの隣接したエッジ２２の間に形成されており、したがって、スロット２０を出た直後の紙１２の上のコーティングの厚さが、ブレード・エッジ２２とロール１６との間の距離と圧力によって判定される。
【００３０】
アクチュエータ２６は、一定間隔でブレード１８に取り付けられ、各アクチュエータ２６付近のブレード１８の屈曲を制御し、アクチュエータ２６がブレード１８をロール１６の方向に近づけたり遠ざけたりするとき、シート１２上のコーティング材料が、それぞれ、次第に薄くされたり次第に厚くされたりする。アクチュエータ２６は、ブレード１８に沿って、３インチまたは６インチの間隔に隔てられることが好ましい。前述のように、アクチュエータ２６のそれぞれの周囲の各３インチまたは６インチの間隔は、「スライス」と呼ばれる。
【００３１】
シート１２が、コーティング厚さ制御スロット２０を出た後、コートされたシート１２は、コーティング２４を乾燥するいくつかの加熱ドラムを通過する。乾燥されたコートされたシート１２は、次いで、以下で詳述する赤外線反射型コーティング重量センサ３２の下を通過する。
【００３２】
センサ３２は、走査運動で、シート１２の幅を横断して矢印２８方向に、前後に駆動され、移動中のシート１２の幅および長さにわたる様々なスライス位置で、シート１２から反射された赤外線の量を測定することができる。
【００３３】
このセンサ３２からの信号は、次いで、信号処理回路３５を介して、システム・プロセス制御コンピュータ３４に送られ、そこでそれらのセンサ信号が、シート１２の幅にわたる特定スライス位置に関係付けられるように、信号が時間方向にデマルチプレクスされる。以下でも説明するように、コンピュータ３４は、次いで、それらの信号に基づいて様々な計算を実行し、各スライスでコーティング２４の基本重量を判定する。コンピュータ３４は、各スライスについて測定されたコートの基本重量と所定の所望値とを比較し、アクチュエータ・コントローラ３６に命令して制御信号を発生させ、その信号によって、アクチュエータ２６は、必要に応じて各スライス位置でブレード１８をフレックスさせ、各スライスに対する所望のコーティング重量を与える。通常、均一のコート重量が目標として要求される。
【００３４】
図２に、図１ａの赤外線コーティング重量センサ３２を詳細に示す。このセンサ３２は、ベース紙シート１２に塗布されたコーティング材料２４の量を測定するために使用され、シート１２の基本重量と含水量の変化から生ずるシート１２による赤外線吸収の影響に関して、この測定値を自動的に補正する。
【００３５】
センサ３２は、可視領域および赤外領域における連続波光線タングステン・ハロゲン源５０と、温度制御式エンクロージャに格納された６つの赤外線検出器の検出組立体とを備える検出組立体８８の一部である。広帯域赤外線源エネルギー５０が、シートの動揺および表面特性に対する感度を最小限に抑える角度で、シート１２に向けられる。拡散放射方式が好ましい。その角度は、通常、垂直に対して約１０°から約２５°の範囲である。検出組立体は、シリコン・センサ、クレー・センサ、および水分センサを備える。シリコン・センサは、シリコン計測フィルタ／検出器３２Ａとシリコン基準フィルタ／検出器３２Ｂを含む。クレー・センサは、クレー計測フィルタ／検出器５１Ａとクレー基準フィルタ／検出器５１Ｂを含む。水分センサは、水分計測フィルタ／検出器５２Ａと水分基準フィルタ／検出器５２Ｂを含む。シートから反射されたエネルギーは、ビームスプリッター５５、５６および５７ならびに適切なフィルタを介して光線を個々の検出器に通過させることによって波長分析される。ビームスプリッター、フィルタ、および検出器を備える光学分析器のこの構成は、すべての検出器信号がシート上の同じ位置を起源とすることを保証し、その結果、あらゆる所与の時間に、精密な測定に必要なすべての情報が利用可能になる。
【００３６】
シリコン・センサによる正確かつ精密な測定は、一部が、シリコン濃度と約３．３６μｍ領域におけるシリコンの吸収強度の相関関係に基づく。シリコンに関する他の明白な吸収ピークと比較して、このピークは弱いが、有意な実験の後では、吸収ピークが小さいほど（しかし弱くない）、計測中のコーティング材料に関して、優れたデータを提供することが分かった。これは、選択された線源レベルに関して、過度に強いピークは、コーティングへのあらゆる有意な透過を妨げ、放射検出器に戻る鏡面反射率を減少させるからである。しかし、コーティング本体を精密に反射するためには、表層だけではなく、ある程度のコーティング透過が必要である。さらに、強い吸収ピークは、放射線検出器が受け取る鏡面反射信号を黙示的に減少させる。
【００３７】
当然、吸収が弱すぎれば、大部分の信号はコーティングを完全に通過し、また、基材も通過する恐れがあるので、コーティングの重量データを信号雑音から分離することは困難である。したがって、弱いピークも回避された。シリコンに対する３．３６吸収ピークは、前記２つの競合する要因の間に優れたバランスを実現する。
【００３８】
シリコンを計測するため、計測通過帯域フィルタおよび基準通過帯域フィルタの通過帯域の好ましい中心波長は、それぞれ約３．３６μｍから３．３８μｍおよび約３．６０μｍから３．８０μｍである。このフィルタのそれぞれに対する帯域幅は、好適には約０．１５μｍであるが、検出器における所望の信号強度とバランスを得るために、必要に応じて広くしても、また狭くしてもよい。計測チャネルと基準チャネルの検出器の出力信号の比は紙コート重量値に比例する。
【００３９】
シリコン・センサは、４チャネル・センサ又は６チャネル・センサとして構成することが好ましい。図２に示すように、さらに好ましい構成は、ＣａＣＯ3 、シリコン、クレー、および水分を測定する６チャネル・センサである。好ましい４チャネル・バージョンは、シリコンとクレーを測定する。検出組立体は、たとえば１７０Ｈｚで動作し、たとえば高レベルの赤外線エネルギー変調を実現する回転光線チョッパを備える従来型赤外線エネルギー変調器６０をさらに含む。光チョッパは、２つの反対側から開かれた中空のスクエア・プリズムとして構成されることが好ましい。光チョッパが回転すると、光チョッパは、光源のパラボラ反射板からの、直径２５ｍｍの光線の全幅を遮る。これにより、低ワット数タングステン・ハロゲン光源を使用することができ、長く安定したランプ寿命を確保する。小さいフィラメントサイズは、スポットの大きさ（シート上で計測されるエリア）が、小さく直径約２０ｍｍであるようにする。シリコン・センサは、完全にそれ自体が内蔵されるタイプの内部光学（反射）標準器を用いることが望ましく、したがってセンサがシートと干渉せず、標準化を行うためにシート外に移動する必要はない。
【００４０】
赤外線エネルギー変調器６０は、赤外線源５０からシート１２に送られる赤外線放射量を、周知の周波数で変調する。したがって、各赤外線検出器の出力も、入射赤外光線６２と同様の周知の周波数で変調される。さらに、検出器出力は、変調された入射光線６２の反射された部分６３に直接的に依存するので、検出器出力の位相は、変調された光線６２の位相に依存する。しかし、ベース紙シート１２、シートのコーティング２４、および他の外部光源（図示せず）から生ずる赤外線エネルギーも、すべての検出器に達する。したがって、各検出器信号は、ＡＣ成分とＤＣ成分の両方を含む。
【００４１】
検出器のそれぞれの出力（計測および基準の両方）は、信号処理回路３５（図１ａ）に送られる。この回路は、検出器信号のＤＣ成分をフィルタで除去するように設計される。フィルタを通過したＡＣ検出器信号は、次いで、信号処理回路３５内に含まれる位相同期復調回路に渡される。位相同期復調器の目的は、ベース・シート１２またはベース・シート１２に塗布されたコーティング材料２４の変化する赤外線吸収に起因しない検出器信号の変化をフィルタで除去することである。
【００４２】
シリコン・センサに関して、各検出器３２Ａおよび３２Ｂからの変調された信号の平均化された振幅は、それぞれに、各検出器に関連付けられたフィルタの通過帯域内でコートされたシートの様々な部分から反射された、赤外線放射量を示す。変調され、振幅を平均化した検出器信号は、次いで、信号処理回路によって計測され、デジタル化され、プロセス制御コンピュータ３４に供給される。コンピュータ３４は、以下で詳述する数式および技術を使用して、ベース・シート１２のコーティング材料２４の基本重量を計算する。
【００４３】
図３に、シリコンに対する赤外線吸収スペクトルと、シリコン・センサのための基準赤外線検出器と計測赤外線検出器にそれぞれ関連付けられた基準フィルタ６および測定フィルタ７の通過帯域を示す。それぞれの通過帯域におけるベース紙シート１２による赤外線の平均吸収が等しくなるように、または実質的にほぼ等しくなるように、基準フィルタおよび計測フィルタが選択される。この方法で、基準検出器と計測検出器によって生成される信号は、コートされていないシート１３に対して等しく（または非常にほぼ等しく）なる。計測検出フィルタの通過帯域は、シリコンに対する強い吸収のピーク（または伝導の最小値）が入るように選択される。したがって、コートされたシートによると、計測検出器からの出力は、ベース紙シートとコーティング材料のシリコン成分の両方によって生じる赤外線吸収を示す。
【００４４】
しかし、通常の濃度のシリコンはその吸収ピークにおいてさえも、赤外線を非常に僅かしか吸収しない。したがって、計測検出器３２Ａからの、シリコン・コーティング成分に起因する信号の量は非常に小さいので、計測検出器自体が、反射した赤外線６３によって遭遇されるシリコンの量を判定するために使用することが実質的に不可能である。それは、シートの他の成分の変動によって生じる信号の変化と見分けがつかない。しかし、本発明によると、計測検出器３２Ａと基準検出器３２Ｂは、下にあるベース紙シート１２に対して等しい感度を持つので、計測信号の絶対値に対する基準信号の絶対値の比は、コーティング材料のシリコン含有量に対する優れた感度を持つ信号を生じる。同様に、基準信号と計測信号の絶対値の差異は、コーティング材料のシリコン含有量の示度も提供する。さらに、基準信号と計測信号は、同じ主要な誤差源（たとえば、シートの基本重量、含水量、および光の路中のダストのバックグラウンド変化）の対象となるので、たとえ上記の位相同期復調フィルタリング技術が使用されなくても、計測信号と基準信号の間の比または差異は、ベース紙シートを覆うシリコン量の高度に精密な示度を提供する。
【００４５】
コート重量センサ３２をセットアップするとき、計測通過帯域と基準通過帯域におけるベース・シート１２による赤外線吸収を「バランス」させ、または等しくさせることが重要である。基板に一連の誘電性コーティングをコーティングすることによって、周知の赤外線帯域通過フィルタが作られる。誘電コーティングの厚さは、フィルタに対する通過帯域の中心を決定する。したがって、誘電性フィルムの厚さを変更することによって、フィルタは、赤外線スペクトルのあらゆる所望の領域で通過帯域を有するように作られることができる。
【００４６】
基準検出器と計測検出器からの信号は、次の数式に従って、基本重量を数学的に計算するために使用することができる。
ＢＷC＝Ａ（ＩMES−ＩREF）      （１）
上式で、
ＢＷC＝ベース・シート上のコーティング材料の基本重量
ＩMES＝計測検出器からの出力信号の値
ＩREF＝基準検出器からの出力信号の値、および
【００４７】
Ａは、定数であり、経験的に判定され、コート重量の様々な検出器出力に関係する。定数値は、周知の曲線適合技術によって判定することができる。ＩMES、ＩREFの値は、それぞれ計測通過帯域と基準通過帯域のコートされたシートによる赤外線の反射に比例する。
【００４８】
数式（１）は、基準検出器と計測検出器からの出力信号の間の差異を基にして、コーティング材料の基本重量を判定する。しかし、これら２つの信号の比を使用してコート重量を判定することも可能である。
ＢＷC＝Ｃ（（ＩMES／ＩREF）−１）
【００４９】
Ｃは、様々な検出器出力をコート重量に関係付ける、経験的に判定された定数である。
【００５０】
コンピュータ（図示せず）は、コート重量センサ３２に関連付けられ、単独で各スライスに関する基本重量計算の実行専用にすることができる。しかし、多くの現代的な製紙工場は高度に自動化されており、プロセス制御コンピュータを含む（図１ａ）。これらの工場では、本発明の赤外線コーティング・センサ３２によって生成される信号は、各横断方向のスライス位置で、シート１２に塗布されているコーティング材料２４の量を計算するために、信号処理回路３５を介して、工場の中央プロセス制御コンピュータ３４に供給されることが好ましい。次いで、これらの計算に基づいて、プロセス制御コンピュータ３４は、各横断方向の位置でベース・シート１２に塗布されたコーティング材料１４の量を選択的に変更するために、ブレード１８に沿って各スライスに取り付けられたコーティング制御ブレード・アクチュエータ２６を選択的に活動化する信号を発生させるように、アクチュエータ・コントローラ３６に命令することができる。
【００５１】
一方、シリコンがベース・シートに混入している場合もある。この状態では、上記の一次赤外線センサ３２に類似または同一の２次赤外線センサ２３が、ペーパー・コーティング・プロセスにおいてベース・シートにコーティング材料１４を塗布する前の位置に配置される。この２次センサは、コートされていないベース・シートに隣接して配置され、上記で１次センサについて説明したのとまったく同様の方法で、ベース・シートにおけるシリコンの量を計測するために使用される。この状態では、プロセス制御コンピュータ３４は、２次センサから信号を受け取り、ベース・シートに混入したシリコンの量を計算し、１次コーティング・センサ３２によってコンピュータ３４に供給された信号から生じるシリコンの計測値から、このシリコン計測値を減算する。この減算によって生じる差異は、再生ベース紙シートに塗布されたコーティング材料におけるシリコンの量を示す。コーティング制御は、次いで、上記で説明したのと同一の方法で実行される。
【００５２】
ラテックスがシリコン計測値に干渉するので、ベース・シートまたは上記のコーティング・ステップがシートにラテックスを塗布する場合、同様の手順が必要となる。この場合、コーティング前のラテックス信号がコーティング後に取られたシリコン信号から減算される。
【００５３】
最後に、上述のように、シリコンが、ＣａＣＯ3 、ダイ、充填剤などいくつかの他の化学成分を有するコーティング材料の成分である場合、それらの材料の量は、シリコンのデータから推理して判定することができる。非シリコン成分は、正確な周知の所定比率で、コーティング材料のシリコン成分と混合される。したがって、システムのプロセス制御コンピュータは、シートを覆うシリコン成分の量を判定することによって、シリコン成分に対するコーティング材料の他の成分の周知の比率から、シート上の全コーティング材料混合物の全体量を判定することもできる。
【００５４】
水分センサとクレー・センサは、シリコン・センサと実質的に同様の方法で動作する。水分センサに関して、計測帯域通過フィルタと基準帯域通過フィルタの通過帯域に対する好ましい中心波長は、それぞれ、約１．８９μｍから１．９５μｍと１．７０μｍから１．８６μｍの範囲になる。クレー・センサに関して、計測帯域通過フィルタと基準帯域通過フィルタの通過帯域に対する好ましい中心波長は、それぞれ、約２．２０μｍから２．２５μｍと２．０８μｍから２．３０μｍの範囲になる。
【００５５】
（実験）
図２に示すシリコン・センサが、板紙工場でテストされた。３．３６μｍのフィルタを計測チャネルに使用され、３．８０μｍのフィルタを基準チャネルに使用された。設置の前に、水性シリコンのサンプルが用意され、実験室において較正のためにそのサンプルのコート重量がセンサで測定された。センサのデータが実験室のデータと相関され、図４のグラフに再現された。グラフに示される点を通過する線の線形関係は、センサの較正の基礎になる。
【００５６】
本発明の好ましい実施形態だけを、上記で特に開示し、かつ説明したが、上記の教示に照らして、また添付の特許請求の範囲に定義される本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく、本発明の多くの修正形態および変更形態が可能であることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明によるスキャニング赤外線反射型コーティング重量センサを使用したペーパー・コーティング操作の簡略化した透視図（Ａ）、図１Ａのシートのコートされていない部分の拡大図（Ｂ）、図１Ａのシートのコートされた部分の拡大図（Ｃ）である。
【図２】  図１Ａの反射型赤外線コーティング・センサを含む検出組立体の、簡略化した横断面図である。
【図３】  紙に塗布された典型的なシリコン・コーティングに対する赤外線吸収スペクトルを示す図である。
【図４】  実験室のコート重量対シリコン・センサの較正曲線を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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